1945年2月3日中午，羅斯福乘坐總統專機到達克裏米亞機場，又轉乘汽車前往會議地點雅爾塔。雅爾塔位於克裏米亞半島南岸，是修建於12世紀的曆史文化名城，是曆代沙皇喜歡的避暑勝地。羅斯福和美國代表團全體成員的下榻地點是裏沃蒂亞宮，這裏曾是俄國末代君主尼古拉二世冬季度假的宮殿。不遠處還有一座尤薩波夫宮，那裏是斯大林和蘇聯代表團的下榻地點。丘吉爾和英國代表團則要遠些，安置在9公裏外的沃倫托夫別墅，雖然這裏曾經是著名的避暑勝地，但是現在已經滿目瘡痍，衛生條件和基礎設施極差。大約8個月前，德國人才被趕出這個地區，顯然他們在撤退前進行了大肆破壞。丘吉爾對霍普金斯抱怨道：“就算我們在世界各地找上10年，也找不到比雅爾塔還要糟糕的開會地點。”
1945年2月4日，斯大林和蘇聯代表團到達雅爾塔。他先去慰問了丘吉爾，因為英國代表搭乘的一架飛機在途中出了事故，這讓整個英國代表團的代表們情緒都很低落。由於羅斯福已經在電報裏和斯大林提過，想在正式會議前單獨見麵，所以斯大林慰問了丘吉爾後就去探望羅斯福。就複興法國和最後進攻德國問題，羅斯福和斯大林做了簡短會談。雖然羅斯福對戴高樂完全沒有好感，但是考慮到丘吉爾的“複興法國做抵禦蘇聯擴張的堡壘”的建議，他還是支持法國和美國、英國、蘇聯一起占領德國。作為美國代表團的元首，羅斯福被推舉為所有全體會議的主持人。考慮到羅斯福的不便，斯大林和丘吉爾都同意把會議地點定在他下榻的裏沃蒂亞宮。
從2月4日到2月11日，為期8天的雅爾塔會議從頭到尾都處於激烈的爭論中。每個國家的利益不同，每個首腦的預期目標也不同，這就讓大家展開了討價還價式的爭論。羅斯福的主要目標是，讓蘇聯答應對日作戰，協助美國早日取得太平洋戰區的勝利；還有就是說服蘇聯同意加入正在籌劃中的聯合國。蘇聯受蘇德戰爭影響，國民生產生活被嚴重破壞，所以斯大林的關注點是對德國索賠問題；另外，他想重新獲得1905年日俄戰爭後被日本侵占的遠東領土。丘吉爾的主要目的是保障英國在各大洲的殖民地歸屬權限不改變，另外就是複興法國以挾製蘇聯。
為了維護美國的利益，羅斯福在會上運用了各種手段。他堅持自己先前提出的大部分方案，例如成立聯合國、分割德國和爭取蘇聯出兵中國東北等。羅斯福密切注視斯大林和丘吉爾的態度和情緒變化，來確定什麼是他們迫切想要的，什麼是他們能夠妥協的。
經過8天的激烈討論，美、英、蘇三國代表達成了共識。戰後的德國將被劃分為4個區，由美、英、蘇、法分區占領；為了彌補戰爭給同盟國帶來的損失，德國必須交付戰爭賠償；為了徹底消滅德國納粹主義和軍國主義，解除所有武裝，德國必須解散所有軍隊。波蘭問題，東部波蘇邊界以寇鬆線為準，由北部和西部獲得新領土，彌補東部失去的國土：以蘇聯扶持的位於盧布林的波蘭臨時政府為基礎進行改組，同時容納國內外民主人士。聯合國問題，決定由美、英、蘇、中、法五國為安理會常任理事國，規定實質性問題需經常任理事國一致同意；另外同意蘇聯的烏克蘭和白俄羅斯為聯合國創始會員國，享有單獨的投票權。
關於遠東問題，羅斯福和斯大林商定了一個秘密協議後，讓丘吉爾參加簽字。羅斯福的出發點是想迅速打敗日本，這是無可厚非的，但這種用犧牲中國利益和主權來討好蘇聯的方式，是荒謬和錯誤的。在該協議中，蘇聯承諾在歐洲戰爭結束後2到3個月內參加對日作戰，前提條件是：維持外蒙古的現狀；庫頁島南部及鄰近島嶼交還蘇聯；大連商港國際化，租用旅順港為蘇聯海軍基地，中東鐵路和南滿鐵路由蘇、中共同經營；千島群島交予蘇聯。這個協議是在中國方麵毫不知情的情況下簽訂的，嚴重地踐踏了中國的主權和利益。直到杜魯門上台後，中國國民政府外交部部長宋子文才接到通知，知道有這樣一個協定。